Vizualizace (grafika) - Visualization (graphics)

Přesměrování několika výrazů zde. Další použití najdete v tématu Vizualizace (disambiguation) .

Vizualizace toho, jak se auto deformuje při asymetrickém nárazu pomocí analýzy konečných prvků

Vizualizace nebo vizualizace (viz rozdíly v hláskování ) je jakákoli technika pro vytváření obrázků , diagramů nebo animací pro komunikaci zprávy. Vizualizace prostřednictvím vizuálních obrazů je účinný způsob komunikace abstraktních i konkrétních myšlenek již od úsvitu lidstva. Mezi příklady z historie patří jeskynní malby , egyptské hieroglyfy , řecká geometrie a revoluční metody technické kresby Leonarda da Vinciho pro technické a vědecké účely.

Vizualizace má dnes stále se rozšiřující aplikace ve vědě, vzdělávání, strojírenství (např. Vizualizace produktů), interaktivní multimédia , medicína atd. Typické pro vizualizační aplikaci je oblast počítačové grafiky . Vynález počítačové grafiky (a 3D počítačové grafiky ) může být nejdůležitějším vývojem ve vizualizaci od vynálezu centrální perspektivy v období renesance . Vývoj animace také pomohl zlepšit vizualizaci.

Přehled

Mapa Ptolemaios svět , o zředění Ptolemaiově Geographia (cca 150), s uvedením země „ Serica “ a „Sinae“ ( Čína ) na krajní pravici, nad ostrovem „Taprobane“ ( Srí Lanka , příliš velký) a „Aurea Chersonesus “( poloostrov jihovýchodní Asie )
Informační grafika Charlese Minarda o Napoleonově pochodu

Využití vizualizace k prezentaci informací není nový fenomén. Používá se v mapách, vědeckých kresbách a datových grafech více než tisíc let. Mezi příklady z kartografie patří Ptolemaiova Geographia (2. století n. L.), Mapa Číny (1137 n. L.) A Minardova mapa (1861) Napoleonovy invaze do Ruska před stoletím a půl. Většina konceptů naučených při navrhování těchto obrázků se přenáší přímočaře do počítačové vizualizace. Edward Tufte napsal tři kritikou uznávané knihy, které vysvětlují mnohé z těchto zásad.

Počítačová grafika byla od počátku používána ke studiu vědeckých problémů. V jeho počátcích však nedostatek grafického výkonu často omezoval jeho užitečnost. Nedávný důraz na vizualizaci začal v roce 1987 vydáním Visualization in Scientific Computing, speciálního čísla počítačové grafiky. Od té doby proběhlo několik konferencí a workshopů, které byly sponzorovány IEEE Computer Society a ACM SIGGRAPH a které se věnovaly obecnému tématu a zvláštním oblastem v této oblasti, například vizualizaci objemu.

Většina lidí je obeznámena s digitálními animacemi vytvářenými za účelem prezentace meteorologických dat během hlášení o počasí v televizi , i když jen málokdo dokáže rozlišit mezi těmito modely reality a satelitními fotografiemi, které jsou také zobrazeny v takových programech. Televize také nabízí vědecké vizualizace, když ukazuje počítačem kreslené a animované rekonstrukce silničních nebo leteckých nehod. Některé z nejpopulárnějších příkladů vědeckých vizualizací jsou obrazy generované počítačem, které ukazují skutečné vesmírné lodě v akci, v prázdnotě daleko za Zemí nebo na jiných planetách . Dynamické formy vizualizace, jako jsou vzdělávací animace nebo časové osy , mají potenciál zlepšit učení o systémech, které se v průběhu času mění.

Kromě rozlišení mezi interaktivními vizualizacemi a animací je nejužitečnější kategorizace pravděpodobně mezi abstraktními a modelovými vědeckými vizualizacemi. Abstraktní vizualizace ukazují zcela koncepční konstrukce ve 2D nebo 3D. Tyto generované tvary jsou zcela libovolné. Vizualizace založené na modelu buď umísťují překryvy dat na skutečné nebo digitálně konstruované obrazy reality, nebo vytvářejí digitální konstrukci skutečného objektu přímo z vědeckých dat.

Vědecká vizualizace se obvykle provádí pomocí specializovaného softwaru , i když existuje několik výjimek, uvedených níže. Některé z těchto specializovaných programů byly vydány jako open source software, který má velmi často původ na univerzitách, v akademickém prostředí, kde je běžné sdílení softwarových nástrojů a poskytování přístupu ke zdrojovému kódu. Existuje také mnoho proprietárních softwarových balíčků nástrojů vědecké vizualizace.

Modely a rámce pro vytváření vizualizací zahrnují modely toku dat popularizované systémy, jako jsou AVS, IRIS Explorer a sada nástrojů VTK , a modely stavu dat v tabulkových systémech, jako jsou tabulky pro vizualizace a tabulky pro obrázky.

Aplikace

Vědecká vizualizace

Simulace nestability Raleigh -Taylor způsobené dvěma míchacími kapalinami
Hlavní článek: Vědecká vizualizace

Jako předmět v počítačové vědě je vědecká vizualizace pomocí interaktivních, smyslových reprezentací, typicky vizuálních, abstraktních dat k posílení poznávání , budování hypotéz a uvažování . Vědecká vizualizace je transformace, výběr nebo reprezentace dat ze simulací nebo experimentů s implicitní nebo explicitní geometrickou strukturou, která umožňuje průzkum, analýzu a porozumění dat. Vědecká vizualizace se zaměřuje a zdůrazňuje reprezentaci dat vyššího řádu především pomocí grafických a animačních technik. Je to velmi důležitá součást vizualizace a možná první, protože vizualizace experimentů a jevů je stará jako věda sama. Tradiční oblasti vědecké vizualizace jsou vizualizace toku , lékařská vizualizace , astrofyzikální vizualizace a chemická vizualizace . Existuje několik různých technik pro vizualizaci vědeckých dat, přičemž běžnější je rekonstrukce isosurface a přímé vykreslování objemu .

Vizualizace dat

Hlavní článek: Vizualizace dat

Vizualizace dat je příbuzná podkategorie vizualizace zabývající se statistickou grafikou a geoprostorovými daty (jako v tematické kartografii ), která je abstrahována ve schematickém tvaru.

Informační vizualizace

Relativní průměrné využití IPv4
Hlavní článek: Vizualizace informací
Další informace: Informační grafika

Informační vizualizace se zaměřuje na používání počítačem podporovaných nástrojů k prozkoumání velkého množství abstraktních dat. Pojem „vizualizace informací“ původně vytvořila skupina pro výzkum uživatelského rozhraní ve společnosti Xerox PARC a zahrnoval Jock Mackinlay. Praktická aplikace vizualizace informací v počítačových programech zahrnuje výběr, transformaci a reprezentaci abstraktních dat ve formě, která usnadňuje lidskou interakci pro průzkum a porozumění. Důležitými aspekty vizualizace informací jsou dynamika vizuální reprezentace a interaktivita. Silné techniky umožňují uživateli modifikovat vizualizaci v reálném čase, čímž poskytuje bezkonkurenční vnímání vzorců a strukturálních vztahů v dotyčných abstraktních datech.

Vzdělávací vizualizace

Vzdělávací vizualizace využívá simulaci k vytvoření obrazu něčeho, o čem se lze učit. To je velmi užitečné při výuce tématu, které je jinak obtížné vidět, například o atomové struktuře , protože atomy jsou příliš malé na to, aby je bylo možné snadno studovat bez nákladného a obtížně použitelného vědeckého vybavení.

Vizualizace znalostí

Cílem použití vizuálních reprezentací k přenosu znalostí mezi nejméně dvěma osobami je zlepšit přenos znalostí pomocí komplementárních počítačových a počítačových vizualizačních metod. Správně navržená vizualizace je tedy důležitou součástí nejen analýzy dat, ale také procesu přenosu znalostí. Přenos znalostí lze výrazně zlepšit pomocí hybridních návrhů, protože zvyšuje hustotu informací, ale může také snížit srozumitelnost. Vizualizaci 3D skalárního pole lze například implementovat pomocí izo-povrchů pro distribuci pole a textur pro gradient pole. Příklady takových vizuálních formátů jsou skici , diagramy , obrázky , objekty , interaktivní vizualizace, aplikace pro vizualizaci informací a imaginární vizualizace jako v příbězích . Zatímco se vizualizace informací zaměřuje na používání počítačem podporovaných nástrojů k odvozování nových vhledů, vizualizace znalostí se zaměřuje na přenos náhledů a vytváření nových znalostí ve skupinách . Kromě pouhého přenosu faktů si vizualizace znalostí klade za cíl dále přenášet pohledy , zkušenosti , postoje , hodnoty , očekávání , perspektivy , názory a předpovědi pomocí různých doplňkových vizualizací. Viz také: slovník obrázků , vizuální slovník

Vizualizace produktu

Vizualizace produktu zahrnuje vizualizační softwarovou technologii pro prohlížení a manipulaci s 3D modely, technický výkres a další související dokumentaci vyráběných součástí a velkých sestav produktů. Je klíčovou součástí správy životního cyklu produktu . Software pro vizualizaci produktů obvykle poskytuje vysokou úroveň fotorealismu, takže si produkt můžete prohlédnout ještě před jeho skutečnou výrobou. To podporuje funkce od designu a designu až po prodej a marketing. Technická vizualizace je důležitým aspektem vývoje produktu. Původně technické výkresy byly vytvářeny ručně, ale s nástupem pokročilé počítačové grafiky byla rýsovací deska nahrazena počítačem podporovaným návrhem (CAD). Kresby a modely CAD mají oproti ručním výkresům několik výhod, jako je možnost 3-D modelování, rychlé prototypování a simulace . Vizualizace 3D produktů slibuje více interaktivních zážitků pro online nakupující, ale také vyzývá maloobchodníky k překonání překážek při výrobě 3D obsahu, protože produkce 3D obsahu ve velkém může být extrémně nákladná a časově náročná.

Vizuální komunikace

Vizuální komunikace je komunikace z myšlenek prostřednictvím vizuálního zobrazení informací . Primárně spojený s dvourozměrnými obrazy zahrnuje: alfanumeriku , umění , znaky a elektronické zdroje. Nedávný výzkum v této oblasti se zaměřil na webový design a graficky orientovanou použitelnost .

Vizuální analýza

Vizuální analytika se zaměřuje na interakci člověka s vizualizačními systémy jako součást rozsáhlejšího procesu analýzy dat. Vizuální analytika byla definována jako „věda o analytickém uvažování podporovaná interaktivním vizuálním rozhraním“.

Zaměřuje se na lidský informační diskurz (interakce) v masivních, dynamicky se měnících informačních prostorech. Výzkum vizuální analýzy se zaměřuje na podporu percepčních a kognitivních operací, které uživatelům umožňují detekovat očekávané a objevovat neočekávané ve složitých informačních prostorech.

Technologie vyplývající z vizuální analýzy nacházejí uplatnění téměř ve všech oblastech, ale jsou poháněny zásadními potřebami (a financováním) v biologii a národní bezpečnosti.

Interaktivita

Viz také: Interaktivní vizualizace dat a interaktivní tabule

Interaktivní vizualizace nebo interaktivní vizualizace je odvětví grafické vizualizace v počítačové vědě, které zahrnuje studium toho, jak lidé interagují s počítači, aby vytvořili grafické ilustrace informací a jak lze tento proces zefektivnit.

Aby byla vizualizace považována za interaktivní, musí splňovat dvě kritéria:

  • Lidský vstup: ovládání nějakého aspektu vizuální reprezentace informací nebo informací, které jsou reprezentovány, musí být člověku dostupné a
  • Doba odezvy: změny provedené člověkem musí být včas začleněny do vizualizace. Interaktivní vizualizace je obecně považována za měkký úkol v reálném čase .

Jedním konkrétním typem interaktivní vizualizace je virtuální realita (VR), kde je vizuální reprezentace informací prezentována pomocí pohlcujícího zobrazovacího zařízení, jako je stereoprojektor (viz stereoskopie ). VR se také vyznačuje použitím prostorové metafory, kde je některý aspekt informace zastoupen ve třech dimenzích, takže lidé mohou zkoumat informace, jako by byly přítomny (kde místo toho byly vzdálené), vhodně dimenzované (kde místo toho byly v mnohem menším nebo větším měřítku, než mohou lidé přímo cítit), nebo měl tvar (kde místo toho může být zcela abstraktní).

Dalším typem interaktivní vizualizace je kolaborativní vizualizace, ve které více lidí interaguje se stejnou počítačovou vizualizací, aby si navzájem sdělovali své nápady nebo kooperativně zkoumali informace. Kolaborativní vizualizace se často používá, když jsou lidé fyzicky odděleni. Pomocí několika počítačů připojených k síti lze každému člověku současně předložit stejnou vizualizaci. Lidé pak vytvářejí poznámky k vizualizaci a komunikují prostřednictvím zvukových (tj. Telefonních), video (tj. Videokonferenčních) nebo textových (tj. IRC ) zpráv.

Lidská kontrola vizualizace

Programátorův hierarchický interaktivní grafický systém ( PHIGS ) byl jedním z prvních programových úsilí o interaktivní vizualizaci a poskytl výčet typů vstupů, které lidé poskytují. Lidé mohou:

  1. Vyberte některou část stávající vizuální reprezentace;
  2. Vyhledejte bod zájmu (který nemusí mít stávající zastoupení);
  3. Vyťukejte cestu;
  4. Vyberte možnost ze seznamu možností;
  5. Ocenit zadáním čísla; a
  6. Pište zadáním textu.

Všechny tyto akce vyžadují fyzické zařízení. Vstupní zařízení se pohybují od běžných - klávesnice , myši , grafické tablety , trackbaly a touchpady - až po esoterické - drátové rukavice , ramena ramen a dokonce i všesměrové běžecké pásy .

Tyto vstupní akce lze použít k ovládání reprezentovaných informací nebo způsobu, jakým jsou informace prezentovány. Když se mění prezentované informace, je vizualizace obvykle součástí smyčky zpětné vazby . Zvažte například systém letecké avioniky, kde se pilotní vstupy otáčejí, klopí a vybočují a vizualizační systém poskytuje vykreslení nového postoje letadla. Dalším příkladem by mohl být vědec, který během simulace mění simulaci v reakci na vizualizaci jejího aktuálního postupu. Toto se nazývá výpočetní řízení .

Častěji se místo informací samotných mění reprezentace informací.

Rychlá reakce na lidský vstup

Experimenty ukázaly, že u většiny lidí je patrné zpoždění více než 20 ms mezi poskytnutím vstupu a aktualizací vizuální reprezentace. Proto je žádoucí, aby interaktivní vizualizace poskytovala vykreslování založené na lidském vstupu v tomto časovém rámci. Když však k vytvoření vizualizace musí být zpracováno velké množství dat, je to při současné technologii těžké nebo dokonce nemožné. Pojem „interaktivní vizualizace“ se tedy obvykle používá v systémech, které poskytují zpětnou vazbu uživatelům během několika sekund od zadání. Termín interaktivní framerate se často používá k měření, jak interaktivní je vizualizace. Snímkové frekvence měří frekvenci, s jakou může být obraz (snímek) generován vizualizačním systémem. Snímková frekvence 50 snímků za sekundu (snímek/s) je považována za dobrou, zatímco 0,1 snímku/s bude považována za špatnou. Použití framerate k charakterizaci interaktivity je však mírně zavádějící, protože framerate je měřítkem šířky pásma, zatímco lidé jsou citlivější na latenci . Konkrétně je možné dosáhnout dobrého snímkového kmitočtu 50 snímků/s, ale pokud generované obrázky odkazují na změny ve vizualizaci, kterou člověk provedl před více než 1 sekundou, nebude to pro člověka interaktivní.

Rychlá doba odezvy potřebná pro interaktivní vizualizaci je obtížné splnit a existuje několik přístupů, které byly prozkoumány, aby lidem poskytly rychlou vizuální zpětnou vazbu na základě jejich vstupů. Některé zahrnují

  1. Paralelní vykreslování - kde se k vykreslení obrázku používá více než jeden počítač nebo grafická karta současně. Různé počítače mohou vykreslit více snímků současně a výsledky lze přenést po síti pro zobrazení na jednom monitoru . To vyžaduje, aby každý počítač držel kopii všech informací, které mají být vykresleny, a zvyšuje šířku pásma, ale také zvyšuje latenci. Každý počítač také může vykreslit jinou oblast jednoho rámce a odeslat výsledky přes síť k zobrazení. To opět vyžaduje, aby každý počítač uchovával všechna data, a může to vést k nerovnováze zatížení, když je jeden počítač zodpovědný za vykreslení oblasti obrazovky s více informacemi než jiné počítače. Nakonec každý počítač může vykreslit celý snímek obsahující podmnožinu informací. Výsledné obrázky plus související vyrovnávací paměť hloubky pak mohou být odeslány po síti a sloučeny s obrazy z jiných počítačů. Výsledkem je jeden snímek obsahující všechny informace, které mají být vykresleny, přestože žádná paměť jednoho počítače neuchovávala všechny informace. Říká se tomu paralelní hloubkové skládání a používá se, když musí být interaktivně vykresleno velké množství informací.
  2. Progresivní vykreslování - kde je snímková frekvence zaručena vykreslením určité podmnožiny informací, které mají být prezentovány, a poskytnutím přírůstkových (progresivních) vylepšení vykreslování, jakmile se vizualizace již nemění.
  3. Vykreslování na úrovni detailů ( LOD ) -kde se vykreslují zjednodušené reprezentace informací k dosažení požadovaného snímkového kmitočtu, zatímco osoba poskytuje vstup, a poté je plná reprezentace použita ke generování statického obrazu, jakmile osoba prochází manipulací s vizualizací. Jednou z běžných variant vykreslování LOD je podvzorkování . Když jsou reprezentované informace uloženy v topologicky pravoúhlém poli (jak je běžné u digitálních fotografií , skenování MRI a simulací konečných rozdílů ), lze snadno vygenerovat verzi s nižším rozlišením přeskočením n bodů za každý vykreslený 1 bod. Dílčí vzorkování lze také použít k urychlení technik vykreslování, jako je vizualizace objemu, které vyžadují více než dvojnásobek výpočtů pro obrázek dvojnásobné velikosti. Vykreslením menšího obrázku a následným změnou měřítka obrázku na vyplnění požadovaného místa na obrazovce je k vykreslení stejných dat zapotřebí mnohem méně času.
  4. Bezrámové vykreslování - kde vizualizace již není prezentována jako časová řada obrázků, ale jako jeden obrázek, kde jsou v průběhu času aktualizovány různé oblasti.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

Konference

Mnoho konferencí se koná tam, kde jsou prezentovány a publikovány akademické práce s interaktivní vizualizací.